基於仿生學的汽車後緣尾翼噪聲機理及其控制研究

《基於仿生學的汽車後緣尾翼噪聲機理及其控制研究》是依託吉林大學，由葛長江擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於仿生學的汽車後緣尾翼噪聲機理及其控制研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：葛長江
• 依託單位：吉林大學

項目摘要

汽車的氣動噪聲問題是當前汽車研究領域的熱點和前沿。但現有的研究大多基於傳統的車身部件，很少考慮汽車尾翼的噪聲影響。事實上，汽車尾翼可以散射汽車後緣湍流邊界層中的脈動，產生強烈的聲源。本項目擬通過仿生工程與車身工程的學科交叉，以汽車後緣尾翼為研究對象，研究掌握基於仿生學的汽車後緣尾翼噪聲機理及相關的降噪技術。根據鴞翼噪聲理論，對汽車後緣尾翼噪聲進行定性分析和仿生識別，確定發聲機制。以此為基礎，利用仿鴞翼降噪技術對汽車後緣尾翼進行仿生降噪設計。本項目的開展，將探索出一套全新的設計方法，使汽車氣動噪聲研究從傳統的車身部件拓展到後緣尾翼，以便汽車運行的更加安靜和舒適。

結題摘要

本項目研究了一個基於鴞的新翼型的噪聲產生和控制，以解決多孔表面對汽車尾翼降噪的適應性。 首先，在類似汽車尾翼剖面的仿生翼型的吸力面出現了湍流邊界層。在試驗和計算中，發現翼型的鈍度比遠小於0.3，從而保證了湍流邊界層流過尖後緣。根據鴞翼噪聲理論，這兩個條件符合邊界層湍流結構被散射為不連續性導致的噪聲。這個由湍流渦流經尖後緣產生噪聲輻射會更加強烈，並隨速度的5次冪變化。 其次，為了驗證可穿透面預測後緣散射噪聲的能力，將一個線渦在其自身誘導的速度場作用下繞平板邊緣運動的FW-H方程的數值解與Crighton得到的準確解析解進行對比。結果顯示如果積分面在上游和橫向有足夠大的範圍，那么基於可穿透面的FW-H方程可以準確預測遠場噪聲。上游範圍應該足以包括在渦結構在半平板附近運動的時間內其所產生的聲波向上游所行走的距離。展向範圍則需要極大，以便收斂到一個緩慢變化的振盪積分上，它起因於試圖在三維噪聲計算中得到一個完全的二維解。 再次，基於鴞翼的仿生翼型被用於揭示汽車尾翼的噪聲產生機理。通過大渦模擬，繞仿生翼型的流場顯示了由前緣分離引起的兩個聲源：再附著的湍流邊界層和從氣泡中分離出來的渦脫落。由此可知在低雷諾數下的尾翼寬頻噪聲是由湍流邊界層散射導致的。之後，被動多孔技術被用於仿生翼型的後緣。結果顯示多孔後緣緩解瞬態壓力變化的作用得到證實。相關的噪聲頻譜也表明多孔後緣具有高達10 dB以上的降噪潛力，但是降噪的幅度依賴於流阻率。 最後，數值計算研究了流動與多孔表面之間的相互作用，特別是對分離流的被動控制。首先，對具有固體尖後緣和多孔尖後緣的仿生翼型進行流場模擬。非穩態的升力和雷諾應力被用來進一步了解邊界層的分離和再附著以及自由剪下層的失穩和轉捩。結果顯示多孔後緣能夠有效地對仿生翼型吸力面上平均流和瞬態流產生作用，進而影響分離的渦結構的產生和渦脫落，但是效果有限且不穩定。